Cu-SiC磨削用磨具制備工藝及性能表征*

侯天翔 周松青 劉紹杰 許泳行 鄧前軍

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 材料科學(xué)與能源工程學(xué)院 廣東 佛山 528000)

前言

磨具是由結(jié)合劑將磨料粘接在一起構(gòu)成用于磨削、研磨和拋光的工具，磨料、氣孔、結(jié)合劑是組成磨具的3個(gè)要素。磨料是制造磨具的主要原料之一，是磨具產(chǎn)生磨削、研磨、拋光作用的主體，用于打磨或磨削其他材料[1]。

我國磨具工業(yè)發(fā)展迅速，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品向高磨削效率、低成本、長(zhǎng)使用壽命的方向發(fā)展[2]。目前市場(chǎng)上應(yīng)用于陶瓷、微晶玻璃及玻璃等脆性硬質(zhì)材料表面加工領(lǐng)域的磨具材料產(chǎn)品有不少，根據(jù)磨料種類主要分為金剛石系、碳化硅系以及剛玉系3大類[3～4]。

初步拋光主要采用樹脂金剛石磨具[5～7]，樹脂金剛石磨具耐磨性能好，使用時(shí)間長(zhǎng)，但由于金剛石硬度大而韌性較差，樹脂結(jié)合劑的粘結(jié)力強(qiáng),磨料不易脫落容易產(chǎn)生刮痕、磨花現(xiàn)象，影響了陶瓷的光澤度。

雖然目前市場(chǎng)上耐磨材料的種類不少，但高韌性耐磨材料仍然有待開發(fā)，因此筆者通過研究Cu與SiC形成復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)物作為高韌性耐磨材料的原料，再加入樹脂結(jié)合劑提高原料的韌性，最后通過加入微晶剛玉這種填充劑來達(dá)到增強(qiáng)韌性、降低粗糙度的效果。

Cu-SiC類復(fù)合材料的表面平整性大大加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)對(duì)比起來更加的致密，使得其既具備了碳化硅的高耐磨性，而且還攻克了碳化硅材料易脆的缺點(diǎn)，韌性獲得顯著的加強(qiáng)[8]。筆者以環(huán)氧改性酚醛樹脂為結(jié)合劑，其擁有環(huán)氧樹脂不易產(chǎn)生體積變化、粘結(jié)磨料性能強(qiáng)，韌性好的特點(diǎn)，同時(shí)保持了酚醛樹脂的阻燃性能[9]，樹脂在230 ℃以上就逐漸炭化，加工中的高溫使樹脂局部炭化產(chǎn)生自銳，提高了磨削的鋒利度從而又降低了磨削溫度，避免燒傷工件[10]。

筆者制得復(fù)合材料Cu-微晶剛玉-SiC高耐磨磨具。該磨具原料主要由銅粉、微晶剛玉、酚醛環(huán)氧樹脂和碳化硅磨料組成。通過研究磨料添加量和不同種類輔助填料對(duì)磨塊磨損性能的影響，同時(shí)調(diào)節(jié)磨料和填料的比例去摸索最佳的樹脂磨具配方，從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)應(yīng)用新型高強(qiáng)度樹脂磨具的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料有樹脂結(jié)合劑、磨料和填料(如表1所示)。

表1 實(shí)驗(yàn)原料與產(chǎn)地Tab.1 Experimental raw materials and producing areas

1.2 實(shí)驗(yàn)制備

按照配方比例進(jìn)行配料(表1、表2、表3所示)，將選取的碳化硅(1 000目)、微晶剛玉(800目)、銅粉(800目)、酚醛環(huán)氧樹脂粉(1 000目)放入電子烘箱在120 ℃下干燥2 h，按照配方用電子天平依次稱取樹脂粉末、磨料、填料放入燒杯中，并用玻璃棒充分?jǐn)噭蚧旌?、過篩，直至材料混合均勻。將混合料倒入模具中，攤料分布均勻，模具合模放進(jìn)液壓機(jī)中加熱壓制(溫度160 ℃、壓力970 kN、壓制時(shí)間12 min),壓制完成后脫模取出毛坯，裁剪邊幅制成成品，冷卻2 h。實(shí)驗(yàn)工藝流程圖如圖1所示。

表2不同比例碳化硅/樹脂配方組成

Tab.2Formulacompositionofdifferentproportionofsiliconcarbide/resin

添加物編號(hào)ABCD碳化硅(%)35404550環(huán)氧樹脂(%)45403530

表3不同種類樹脂結(jié)合劑的原料配方組成

Tab.3Compositionofrawmaterialsfordifferentkindsofresinbinders

圖1實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

表4有銅粉磨具的原料配方組成

Tab.4Ingredientsofrawmaterialsforgrindingtoolswithcopperpowder

編號(hào)環(huán)氧改性酚醛樹脂(g)碳化硅(800目)(g)微晶剛玉(800目)(g)Cu粉(800目)(g)Cu131.549.51.08Cu231.545.02.511Cu331.540.54.014Cu431.536.05.517

1.3 實(shí)驗(yàn)的性能表征

利用Axiocam ERc 5s金相顯微鏡對(duì)Cu-SiC材料的表面形貌觀察分析，利用手動(dòng)拋光機(jī)磨削對(duì)Cu-SiC復(fù)合材料的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試，利用BS210S型電子分析天平對(duì)復(fù)合材料磨損質(zhì)量損失進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 SiC/樹脂的組成比例對(duì)磨塊磨損率的影響

不同SiC/樹脂組成比例對(duì)磨損率影響，如圖2所示。

圖2 不同SiC/樹脂組成比例對(duì)磨損率影響

通過磨損性能測(cè)試，研究碳化硅和密胺樹脂的成分配比對(duì)磨塊的耐磨性能的影響，當(dāng)增加碳化硅在磨料中所占的含量時(shí)，材料的磨損比先減小后增大，即磨損性能先變強(qiáng)后變?nèi)?。根?jù)材料破壞的分子理論，聚合物的破壞是高分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或高分子主鏈間的相互作用力的破壞。當(dāng)碳化硅含量分別為磨料總含量的45%，密胺樹脂占35%，磨損比最小，即磨損性能最佳。

2.2 樹脂種類對(duì)磨塊磨損率的影響

本實(shí)驗(yàn)用了環(huán)氧改性樹脂和聚氨酯樹脂配方為35%樹脂和65%碳化硅磨塊進(jìn)行磨損測(cè)試，A、B組每組重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5不同種類樹脂結(jié)合劑對(duì)磨損率的影響

Tab.5Effectofdifferentkindsofresinbindersonwearrate

名稱環(huán)氧改性樹脂磨塊聚氨酯樹脂磨塊磨塊磨損率1(質(zhì)量%)0.260.12磨塊磨損率2(質(zhì)量%)0.280.15磨塊磨損率3(質(zhì)量%)0.300.10平均磨塊磨損率(質(zhì)量%)0.280.12

環(huán)氧改性樹脂磨塊的磨損率比聚氨酯樹脂磨塊高，因?yàn)榄h(huán)氧改性樹脂的粘結(jié)性能好，制備的樹脂磨塊具有致密性高、結(jié)合強(qiáng)度高和抗折強(qiáng)度高，環(huán)氧樹脂磨塊在磨削時(shí)不容易發(fā)生變形，環(huán)氧樹脂磨塊硬接觸磨削陶瓷片。而聚氨酯樹脂制備的磨塊具有彈性、耐撕裂性和微孔[11]，在磨削過程中減少磨塊對(duì)陶瓷片硬接觸，磨塊會(huì)彈性形變保護(hù)磨塊結(jié)構(gòu)，能夠提高磨塊的耐磨性。環(huán)氧樹脂磨塊的陶瓷磨削效率比聚氨酯樹脂磨塊高59%。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂磨塊的強(qiáng)度高，提供給碳化硅磨料結(jié)合力高，能夠在磨削過程承受高應(yīng)力，磨料在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)崩壞，提供不錯(cuò)的磨削效率。聚氨酯樹脂磨塊有彈性好，在磨削過程中，磨塊會(huì)發(fā)生彈性形變來保護(hù)磨塊，從而降低磨削效率。環(huán)氧樹脂的磨損比比聚氨酯樹脂磨塊低。樹脂磨塊的磨損性能受樹脂的性能影響。

2.3 銅粉添加量對(duì)于磨塊磨損率的影響

銅粉添加量對(duì)于磨塊磨損率的影響，如圖3所示。

圖3 銅添加量對(duì)磨損率的影響(質(zhì)量百分比)

由圖3可知，加入銅粉后，復(fù)合材料的磨損率曲線發(fā)生變化，曲線趨勢(shì)為先降后升。結(jié)果顯示，銅粉加入量3～5 g時(shí)，磨損率呈現(xiàn)下降狀態(tài)，而曲線的最低點(diǎn)為碳化硅含量45%；銅粉加入量為14 g，此時(shí)的磨損率為0.18%，比沒有加入銅粉之前的磨損率低。說明復(fù)合材料加入銅粉在一定程度上可以減少磨具的磨損率。但是當(dāng)銅粉添加量到達(dá)17 g時(shí)，磨損率反而升高至0.23%，磨損率不降反增。

原因?yàn)榧尤脒m量銅粉后，能夠提高材料導(dǎo)熱性能而使摩擦表面的溫度降低，從而減少了樹脂粘合劑的分解，而比SiC更軟、韌性更高的銅粉，使得磨具在一定程度上耐磨性功能上升。同時(shí)摩擦性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚顯著提高”，原因是摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”，同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展，有利于降低SiC磨損、提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅粉后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚，測(cè)試后可以從表面看出(如圖4所示)磨損機(jī)理發(fā)生改變：以磨粒磨損為主，磨粒起到了磨料作用。

圖4 未添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu)

2.4 磨塊表面分析及其磨損機(jī)理

添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu)

由圖5可見，用不加入銅粉的碳化硅磨塊去做磨損性能測(cè)試，瓷磚在放大200倍的條件下觀察，表面形成了4個(gè)孔洞，有明顯犁溝磨痕，因此磨損機(jī)理以較嚴(yán)重的磨粒磨損和犁溝磨損為主。在磨削過程中容易把瓷磚表面的顆粒拔出來，出現(xiàn)孔洞。瓷磚體為粗糙孔隙，孔洞是不規(guī)則形狀，孔壁覆蓋著半球形晶粒，瓷磚從上到下分層，大多晶粒與晶粒之間有較大的間隙，孔的底部不平整，覆蓋有半球形的晶體和小孔，孔中的結(jié)構(gòu)和孔隙相同，孔面是原來的瓷磚自身的瓷磚晶粒。因?yàn)榇纱u在壓實(shí)過程中由于空氣不能排去，因而儲(chǔ)藏在瓷磚內(nèi)，導(dǎo)致瓷磚組織疏松，在加工過程中，這些晶粒與瓷磚體脫落后形成氣孔。

碳化硅磨塊配方改良后，瓷磚表面只有1個(gè)孔洞，沒有犁溝磨損，沒有裂痕。改良后的碳化硅磨具磨損面上塑性變形基本消失，相比不加入銅粉的磨塊，本次磨損機(jī)理發(fā)生了改變，主要特征為輕度的磨粒磨損。

因此，加入銅粉是磨損率下降的原因。加入比SiC軟、斷裂韌性高的銅粉后，摩擦學(xué)性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚”顯著提高，摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”，在磨削拋光制品表面過程中會(huì)形成近于微米顆粒的轉(zhuǎn)移層，大大減少了制品表面損傷和微觀缺陷，同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展，有利于降低SiC磨損，提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚，測(cè)試后可以從表面看出磨損機(jī)理發(fā)生改變：以輕度磨粒磨損為主，磨粒起到了磨料作用。

3 結(jié)論

1)考察了SiC顆粒的添加量對(duì)復(fù)合材料磨損性能的影響。通過對(duì)比不同SiC顆粒的添加量對(duì)復(fù)合材料磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樹脂含量為35%、SiC顆粒的含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率最低。

2)研究了銅粉添加量對(duì)SiC復(fù)合材料磨損磨削的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合材料加入適度銅粉時(shí)，磨具磨損率會(huì)進(jìn)一步降低。但是銅粉添加過量時(shí)，磨損率會(huì)不降反增。最終得到最佳配方組成為：35%樹脂、45%碳化硅、4.44%白剛玉、15.56%銅粉。

3)加入銅粉后磨損率下降的原因?yàn)椋杭尤氡萐iC軟、斷裂韌性高的銅粉后，摩擦學(xué)性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚”顯著提高，摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”，在磨削拋光制品表面過程中會(huì)形成近于微米顆粒的轉(zhuǎn)移層，大大減少了制品表面損傷和微觀缺陷，同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展，有利于降低SiC磨損、提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚，測(cè)試后可以從表面看出磨損機(jī)理發(fā)生改變：以輕度磨粒磨損為主，磨粒起到了磨料作用。